常方瑞

摘 要：文章利用標(biāo)準(zhǔn)巖心開展常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)研究了疏松砂巖擠壓變形響應(yīng)，研究表明其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈塑性特征；另一方面，利用大尺寸巖心真三軸實(shí)驗(yàn)研究了疏松砂巖破裂延展響應(yīng)，表明疏松砂巖受到擠壓不一定產(chǎn)生裂縫。最后，基于大變形理論建立了疏松砂巖擠壓變形充填帶數(shù)學(xué)模型，利用現(xiàn)場(chǎng)井例開展了擠壓充填形態(tài)模擬及充填強(qiáng)度預(yù)測(cè)，為擠壓充填參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：疏松砂巖；擠壓充填；變形；模擬

中圖分類號(hào)：O14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0054-02

繞絲擠壓充填防砂已成為疏松砂巖油藏主導(dǎo)的防砂工藝，其施工參數(shù)優(yōu)化主要立足于如何將礫石攜帶至炮眼端部，設(shè)計(jì)地層填砂量即為炮眼容積，設(shè)計(jì)施工排量較小。而對(duì)于壓裂防砂技術(shù)，則主要采用端部脫砂水力壓裂數(shù)學(xué)模型，采用MEYER等相關(guān)壓裂防砂軟件進(jìn)行施工參數(shù)優(yōu)化，并無專用的疏松砂巖擠壓充填模擬數(shù)學(xué)模型及模擬軟件。本文采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)擠壓充填作用下疏松砂巖變形機(jī)理開展了探索，引入大變形理論定量描述疏松砂巖擠壓變形充填帶形態(tài)，建立了數(shù)學(xué)模型，編制了計(jì)算程序，開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了模型的可靠性。

1 疏松砂巖擠壓充填變形模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及巖心制備

擠壓充填過程中，隨高粘攜砂液泵入，一方面，井筒周圍的巖石首先會(huì)發(fā)生擠壓變形，此時(shí)利用直徑1in的標(biāo)準(zhǔn)巖心為研究對(duì)象，采用常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)研究疏松砂巖受力變形過程；另一方面，隨井底壓力升高，井周巖石可能發(fā)生破裂延展，此時(shí)利用尺寸為100×100×100mm的方形巖樣采用真三軸（施加三向模擬應(yīng)力環(huán)境）破裂模擬實(shí)驗(yàn)研究疏松砂巖破裂延展過程。

對(duì)于疏松砂巖而言，一方面，現(xiàn)場(chǎng)獲取天然巖心難度較大，另一方面，鉆取及后續(xù)加工巖樣難度較大，給疏松砂巖相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的開展帶來了很大困難。因此，從可接近性和相似性考慮，研究過程中采用了人造巖心代替天然巖樣開展實(shí)驗(yàn)，疏松砂巖巖心制備及實(shí)驗(yàn)參考了前人部分研究成果。

首先，采用壓制法制備了直徑1in的疏松砂巖巖心， 為系統(tǒng)研究不同類型疏松砂巖受力變形特性，制備了5類巖心，其物性見表1，滲透率介于141×10-3-2043×10-3um2，孔隙度介于22%-36%，縱波時(shí)差介于263-377us/m，與勝利疏松砂巖油藏具有較好一致性，可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

在此基礎(chǔ)上，制備了100×100×100mm的方形巖樣，將制作過程分為兩步：（1）采用壓制法制備5類直徑80mm的疏松砂巖巖心（物性參數(shù)同1in標(biāo)準(zhǔn)巖心）；（2）采用澆鑄法將其制備成100×100×100mm的方形巖心，并利用水浴法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2 疏松砂巖擠壓變形實(shí)驗(yàn)

利用伺服控制三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展巖心擠壓變形實(shí)驗(yàn)。把巖心放置在高壓釜內(nèi)，隨后將5類模擬巖心分別在圍壓為5、10、15、20MPa下開展擠壓變形實(shí)驗(yàn)，獲取了5組共20例巖心的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)層應(yīng)力及儲(chǔ)層膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)疏松砂巖受力變形的影響，以1號(hào)巖心為例，其不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可知：（1）疏松砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈塑性特征，線彈性階段，隨應(yīng)力增加應(yīng)變呈線性增加，進(jìn)入塑性階段后，應(yīng)力的微小增加即會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變顯著增加；（2）圍壓越大，產(chǎn)生同樣應(yīng)變所需應(yīng)力顯著增加，側(cè)面反映了儲(chǔ)層應(yīng)力越強(qiáng)的儲(chǔ)層，同樣施工條件下儲(chǔ)層變形量越小，導(dǎo)致充填強(qiáng)度越低；（3）圍壓越小，巖心越容易進(jìn)入塑性階段，表明儲(chǔ)層應(yīng)力越弱的儲(chǔ)層，同樣施工條件下，更容易產(chǎn)生幅度大的變形量，導(dǎo)致充填強(qiáng)度越高。

以20MPa圍壓條件為例，不同巖心應(yīng)力應(yīng)變曲線，可知：（1）隨巖心膠結(jié)強(qiáng)度增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線由彈塑性逐漸變?yōu)榇鄰椥?，達(dá)到強(qiáng)度極限后更易破裂；（2）隨巖心強(qiáng)度增加，產(chǎn)生同樣應(yīng)變所需外載力顯著增加，表明儲(chǔ)層強(qiáng)度越高，要達(dá)到同樣的填砂強(qiáng)度，其施工壓力要越高。

1.3 疏松砂巖破裂延展實(shí)驗(yàn)

利用真三軸壓裂模擬系統(tǒng)開展疏松砂巖破裂延展實(shí)驗(yàn)，步驟如下：（1）將立方體巖心放入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)腔體；（2）施加三向壓力6、8、10MPa，為模擬地層，三向壓力有所不同；（3）按照10、20、30、40、50ml/min的排量泵注粘度為60mPa.s的模擬攜砂液，記錄泵壓曲線，隨后泄壓，換巖心，重復(fù)上述步驟開展實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)巖心滲透率較高（大于1600md）時(shí)，10-50ml/min實(shí)驗(yàn)排量憋起壓力較低，井周形成穩(wěn)定滲流而無法起裂，側(cè)面說明現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行擠壓充填施工時(shí)必須保證一定的施工排量，若施工排量過小，一方面會(huì)使得井周微裂縫無法產(chǎn)生，導(dǎo)致填砂強(qiáng)度不夠，改造不徹底；另一方面會(huì)導(dǎo)致攜砂液過量滲濾，污染儲(chǔ)層。

當(dāng)巖心滲透率低于1400md時(shí)，10ml/min排量憋起的壓力即可導(dǎo)致巖心起裂，壓力曲線反復(fù)出現(xiàn)升高-陡降的趨勢(shì)，反映了裂縫起裂及動(dòng)態(tài)延展過程?，F(xiàn)場(chǎng)擠壓充填施工過程中，為誘導(dǎo)疏松砂巖儲(chǔ)層產(chǎn)生裂縫，當(dāng)攜砂液粘度確定時(shí)，可通過適當(dāng)加大排量的方法誘導(dǎo)微裂縫的產(chǎn)生。

綜上研究：

（1）對(duì)于中高滲疏松砂巖油藏而言，當(dāng)擠壓充填施工條件（攜砂液粘度、施工排量等）合適時(shí)，井周儲(chǔ)層可以產(chǎn)生裂縫。（對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)而言，50ml/min的排量可以使得滲透率低于1400md的巖心起裂；對(duì)于滲透率高于1400md的巖心，為誘導(dǎo)產(chǎn)生裂縫，應(yīng)選用高于50ml/min的排量開展實(shí)驗(yàn)，探索其起裂界限）。

（2）對(duì)于不同的疏松砂巖油藏，誘導(dǎo)儲(chǔ)層起裂（產(chǎn)生主裂縫）所需的施工參數(shù)也會(huì)存在差異。對(duì)于厚度10m的滲透率1300-1400md左右的疏松砂巖儲(chǔ)層，運(yùn)用相似準(zhǔn)則，推薦施工排量高于1.8m3/min。

2 軟件研發(fā)及典型井例應(yīng)用

2.1 軟件研發(fā)

采用delphi語言編制了疏松砂巖擠壓充填模擬可視化軟件，主要包括工作目錄設(shè)置、儲(chǔ)層強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算、塑性出砂區(qū)域計(jì)算、擠壓變形充填帶模擬、后處理顯示等子模塊。各模塊功能如下：endprint

（1）儲(chǔ)層強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算：利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了疏松砂巖彈性模量、波松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及抗拉強(qiáng)度等參數(shù)計(jì)算。

（2）塑性出砂區(qū)域計(jì)算：實(shí)現(xiàn)了不同生產(chǎn)參數(shù)下井周儲(chǔ)層由于塑性屈服導(dǎo)致的巖石骨架破壞出砂區(qū)域計(jì)算。

（3）擠壓變形充填帶模擬：考慮儲(chǔ)層出砂影響，實(shí)現(xiàn)了不同施工參數(shù)下充填形態(tài)模擬計(jì)算。

（4）后處理顯示：實(shí)現(xiàn)塑性出砂區(qū)域、擠壓變形充填帶模擬等計(jì)算結(jié)果的云圖、等值線、動(dòng)畫等不同形式的顯示。

2.2 擠壓變形充填帶模擬井例應(yīng)用

以GO7-32-326井為例，該井施工油層為1294.6-1297.4m，施工參數(shù)如下：正擠攜砂液60m3，均勻加入0.6-1.2mm石英砂14m3，泵壓最高為20MPa，折算最高井底壓力約為33MPa，施工排量為1.8m3/min，平均攜砂比為20%，填砂強(qiáng)度為5m3/m。建立如下物理模型，模型邊界分別施加22MPa、26MPa、33MPa的地應(yīng)力邊界，井眼內(nèi)為施工壓力邊界，模擬充填形態(tài)，模擬充填強(qiáng)度為4.6m3/m，與實(shí)際充填強(qiáng)度誤差為8%，模擬精度較高。

3 充填模擬技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用自研的擠壓充填防砂模擬計(jì)算系統(tǒng)，針對(duì)24口油井開展了填砂強(qiáng)度模擬，可知預(yù)測(cè)與實(shí)際填砂強(qiáng)度誤差控制在11.2%左右，具有較高精度。

4 結(jié)論及建議

（1）開展了疏松砂巖擠壓充填模擬實(shí)驗(yàn)，利用常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)研究了疏松砂巖擠壓變形響應(yīng)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)彈塑性特征；利用真三軸實(shí)驗(yàn)研究了疏松砂巖破裂延展響應(yīng)，其泵注壓力曲線呈現(xiàn)升高-陡降的起裂特征，說明可調(diào)整排量來誘導(dǎo)疏松砂巖起裂。

（2）基于大變形理論建立了擠壓變形充填帶數(shù)學(xué)模型，研發(fā)了擠壓充填防砂模擬軟件系統(tǒng)，提高了擠壓充填參數(shù)設(shè)計(jì)針對(duì)性。

（3）開展了24口油井填砂強(qiáng)度模擬，預(yù)測(cè)與實(shí)際填砂強(qiáng)度平均誤差11.8%，具有較高計(jì)算精度。

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